超短波自组织网络数据链路层协议设计与实现论文(PDF 89页).pdf

电子科技大学 硕士学位论文 超短波自组织网络数据链路层协议设计与实现 姓名 龙华 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息系统 指导教师 毛玉明 20060601 摘要 摘要 与通常的有线通信网络不同 无线自组织网络可以在没有预先布设基础设施 的条件下方便而迅速地组网 无线自组织网的数据链路层技术是无线自组织网络 的关键技术之 实现基于T C P I P 协议 具有自组织能力的超短波自组织网络是国家8 6 3 课题 研究的主要目的 与传统的W L A N 不同 本网络采用跳频传输技术和静态T D M A 介质访问控制技术 这种F H T D M A 传输体制 有利于保证通信节点的可靠性和 抗干扰性 易于实现变动环境的自组织组网 但F H T D M A 传输体制的特性和缺 陷 对超短波信道链路层协议的设计提出了特殊的要求 引入了新的问题 本论文设计了一种捎带传输技术的链路层协议 该协议不仅能有效减少网络 层自组织协议和链路层相关短帧的单独出现 并且在传递数据的过程中 保持相 对较小且稳定的开销 同时实现链路维护 A R P 抑制 H e l l o 抑制 两跳拓扑结 构感知等功能 超短波自组织网络的介质访问控制采用F H T D M A 方式 具有固定帧长 定 时传输的特点 超短波自组网数据链路层协议利用这一特点 采用捎带域的方法 进行联合设计 有效地解决了短帧降低超短波自组织网络性能问题 并在L i n u x 操作系统下实现了捎带传输技术的链路层协议 在实验环境下对协议的性能进行 测试 验证了协议的有效性 关键词 超短波信道 超短波介质访问控制 超短波链路层协议 捎带传输 A B S T R A C T A B S T 队C T D i f f e r i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st h a tw ek n o w W i r e l e s s S e l f O r g a n i z i n gN e t w o r kc a nb ed e p l o y e dr a p i d l ya n dc o n v e n i e n t l yw i t h o u te x i s t i n g n e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e T h ew i r e l e s sl i n kI a y e rp r o t o c o li so n eo ft h ek e yw i r e l e s s s e l f o r g a n i z i n gn e t w o r k ss t u d y i n g T oi m p l e m e n tam u l t i h o pw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hc a p a b i l i t yo f s e l f o r g a n i z i n gi st h ep r i m a r yp u r p o s eo f t h eP r o g r a m T h eS y s t e md i f f e r i n gf r o mt h e M A N E T i td e s i g n sah i e r a r c h i c a lw k e l e s sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e T h en e t w o r ku s e s f r e q u e n c yh o p p i n g F H a tp h y s i c a ll a y e ra n ds t a t i c T D M Aa tM A Cl a y e r T h e c h a r a c t e r i s t i c so fF H T D M Ab r i n gf o r w a r ds p e c i a lr e q u e s t so nd a t al i n kl a y e r T h ep a p e rd e s i g n san e wd a t al i n kl a y e rp r o t o c o lu s i n gp i g g y b a c kt r a n s p o r t i n g t e c h n i q u e T h ed e s i g ne f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h ea p p e a r i n go fs h o r tp a c k e t s o nt h e c h a n n e l f u r t h e r m o r e w i t hs m a l la n ds t a b l es p e n d i n g i tr e a l i z e sl i n km a i n t e n a n c e A R P r e s t r a i n t o p o l o g yf r a n a e w o r kp e r c e p t i o na n dS Oo n T h ep r o t o c o lm a k e su s eo ft h ec h a r a c s t e r i s t i C So fF H T D M A w h i c hi n v o l e s i n v a r i a b l ef r a m el e n g t h p e r i o d i c a lt r a n s m i t t i n g a d o p t sa s s o c i a t e dd e s i g na n ds o l v e s t h es h o r tp a c k e tp r o b l e me f f e c t u a l l y T h ep a p e ri m p l e m e n t st h i sp r o t o c o li nL i n u x O p e r a t i n gS y s t e m e x p e r i m e n t st h ep r o t o c o ls o f t w a r e t e s t i f y i n gt h ev a l i d a t i o no ft h e p r o t o c o lt oV H FS e l f O r g a n i z i n gN e t w o r k K e y w o r d V H Fc h a n n e l F H T D M A L i n kL a y e rP r o t o c o l p i g g y b a c kt r a n s p o r t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 生生日期 如 年彳月 o 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 查生 导师签名 垂坐虫j 日期 乒 Z 年g 月 文日 第一章背景 1 1 引言 第一章背景 近年来 无线移动计算装置 膝上电脑 手持数字设备 个人数字助理以及 便携电脑 的普及带来了计算机网络世界的革命性变革 我们从个人计算机 P e r s o n a lC o m p u t e r P C 时代进入到了无所不在计算 U b i q u i t o u sC o m p u t i n g U C 时代 U C 时代的特点使得无线网络成为最便捷的互联方法 将无线技术用 于局域网环境的无线局域网技术得到了迅速发展 又随之产生了无线个域网 w P A N 和无线体域网 W B A N 等无线网络 无线网络分别向语音和数据两方面发展 无线语音网络围绕着连接P S T N 的 无线网络 发展成为无线语音局域网和无线语音广域网 无线数据网络围绕着 I n t e m e t 和计算机通信网络的基础结构 发展成为宽带局域与无线自组织 A d h o e 部分以及广域无线数据部分 无线数据网络可以分为具有基础设施的网络 i n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r k 和无基础设施的网络 i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k 两大类 前者具有固定和有线 的基站 网络中的节点 或称为主机 从基站接收或向基站发送所有业务 这种 网络的典型例子为无线局域网 w L A N 后者就是无线自组织 A d h o c 网络 A dh o e 网络是由一组自主的无线终端组成 不需要固定的基础设施 例如基 站 的支持而实现通信的网络 是一种自形成 自组织和自管理的网络 因为A d h o e 网络不需要基础设施 所以网络建设的成本低 布网迅速 这对应付突发事 件 战争 救灾等 十分有利 网络既可以单独运行 又可以通过网关接入到有 线骨干网络 如I n t e m e t 因此A dh o c 网络广泛应用于移动会议 紧急服务 军 事无线通信和传感器网络等领域 A dh o c 网络也分为两类 一类是单跳A dh o e 网络 另一类是移动 多跳 A dh o e 网络 单跳A dh o c 网络属于无线局域网的一种对等分布式组网模式 与 A P 组网模式使用相同的无线局域网协议 而无线移动自组织网络 M o b i l e A d h o e N e t w o r k M A N E T 中 每个移动节点都可以作为一个路由器进行工作 即移动 节点的功能不仅仅是发送和接收数据 同时也具有路由选择和存储转发的功能 电子科技大学硕士学位论文 课题应用的环境要求网络具有抗毁性和抗干扰性 保证用户在网络覆盖范围 内的任何地方都可随时入网 网络随时都可将用户的数据快速传递到对方或得到 用户需要的数据 采取了抗干扰措施的M A N E T 可提供上述性能 并可根据通信 网络的生存情况 自动探测网络信息 自适应网络的拓扑变化 自动地寻找最佳 路由和传输方案 把可用的网络节点组成一个有机的整体 可靠而有效地完成信 息的传输 1 2 无线移动自组织网络研究现状和关键技术 与传统的有线和蜂窝网络相比 M A N E T 没有基础设施 每个节点都可能随 时进入和离开网络 整个网络分布式运行 有组网迅速 移动性强和抗毁性强等 特点 然而 传统网络中对连接性和业务传输的基本需求 在M A N E T 中也同样 需要得到满足 M A N E T 的通信技术长期以来一直是研究的热门课题 目前研究 中的主要难点问题为M A C 协议 路由协议 可靠的无线T C P 协议 与其他通信 网的互联互通技术 保密和安全通信等 具有Q o S 保障的信道访问分配和接入机 制是众多研究的重点内容 目前的M A N E T 的媒体接入控制 M e d i a A c c e s sC o n t r o l M A C 协议可以参 考的协议主要为I E E E S 0 2 1 1 标准中的C S M A C A 协议和H i p e r L a n 2 协议 在无线网络中 一般不存在控制中心i 接入控制的工作通过分布式完成 因 此I E E E S 0 2 1 1 标准采用分布式的D C F D i s t r i b u t e dC o o r d i n a t i o nF u n c t i o n 接入模 式 M A C 层协议为C S M A C A 节点间的数据传输过程为R T S C T S 数据 确认 H i p e r L a n 2 是由欧洲标准化组织E T S I 开发的高速无线接入项目的一部分 能 够携带多媒体数据和支持服务质量保证 H i p e r L a n 2 将移动终端组织到由某个终 端确定的蜂窝内 这个终端被称为接入点或中央控制器 H i p e r L a n 2 网络采用直 接模式时可以用于无线自组织网络组网 和I E E E 8 0 2 1 1 标准的区别在于 采用H i p e r L a n 2 标准的A dh o c 网络的M A C 仍然需要由中央控制器负责管理 因此 在没有中央控制器参与的情况下 任何 两个移动终端并不能直接进行通信 I E E E S 0 2 1 1 和H i p e r L a r 9 2 兼容 但扩展性更 好 而且有实际产品问世 如L u c e n t W a v e L A N I E E E 8 0 2 1 1P C 卡 而到目前为止 还没有见到H i p e r L a n 2 的产品 因此目前对无线自组织网络的研究常常是采用或 借鉴I E E E 8 0 2 1 1 标准 2 第一章背景 无线网络典型的信道访问方法被I E E E 8 0 2 委员会标准化 形成了无线局域网 在2 4 G H z 直接序列扩频 D S S S 信道上的竞争型信道访问协议 载波侦听 冲 突避免 C S M A C A C S M A C A 信道方式通过短帧预约 R T s C T s 形式 为 无中心 无线多跳的组网方式中克服 发送冲突 和 隐蔽终端 问题提供了良 好的解决方案 因而成为了无线自组织网络研究中的 理想 无线信道模型 与 D S S S 相对应的 I E E E 8 0 2 1 1 标准的最初版本中 还考虑了以跳频 f r e q u e n c e h o p p i n g F H 信道构建无线局域网的方案 由于F H 体制额外增加了物理信道上 站点间的F H 同步问题 无线信道访问控制技术远未到达相对成熟的地步 因而 在I E E E 8 0 2 1 1 的后续版本更新中 没有再对F H 信道的信道访问控制作进一步的 更新和标准化 数据链路层为两台直接相邻的通信系统提供可靠 有效的通信服务 负责两 个通信系统之间链路的数据流管理 完成流量控制和差错控制 无线介质不可靠 带宽低并且具有广播的特性 无线电波的传播会根据地形 工作频率 移动终端 的速度 干扰源和其他动态因素而发生明显的变化 这使得无线网络的数据链路 层的设计要比有线网络复杂得多 在差错控制 数据的传送和寻址等方面提出了 更高的要求 受无线信号制约 M A N E T 覆盖的地理范围较小 几百米到几公里 在有限 的范围内 网络的节点在移动的状态下保持通信 并完成正常通信所需的组网 寻路 获取无线信道等任务 如果直接将I E E E 8 0 2 1 1 标准针对单跳W L A N 设计 的M A C 协议移植到M A N E T 多跳拓展出更广的网络覆盖范围和节点更频繁的 移动几率会加剧I E E E 8 0 2 1 1 标准的M A C 协议本身固有的问题并引入新的问题 I E E E 8 0 2 1 1 标准的M A C 协议在多跳网络中存在的问题 没有完全解决隐藏 终端问题并引入暴露终端问题t 1 I E E E S 0 2 1 1 标准的M A C 协议的载波监听和干 扰范围通常大于传输范围 加剧了隐藏节点和暴露节点的问题口 二进制退避算 法 对刚发送成功的节点有利 对发送失败的节点不利 使各节点间存在明显的 不公平口 没有考虑无线自组织网络能量消费的问题 4 等 1 3 问题描述与动机 课题的主要任务是构建一个超短波自组织网络 研究采用超短波高速数据电 台构建无线自组织网络若干关键技术 通过分析超短波信道特性对自组织网络的 电子科技大学硕士学位论文 组网和性能产生影响的关键因素 对动态组网 网络自组织技术 网络编址与寻 址技术 链路协议 路由技术和网络安全等进行研究 设计与实现 本论文集中 研究超短波自组织网链路层协议的设计与实现 超短波自组织网络是一个多跳的无线自组织网络 M A N E T 采用分层分布 式组网结构 结合课题多层次 多模式 多覆盖的通信需求 利用新型高速数传 电台 构成分层分布式无线移动自组织网络 超短波自组网采用超短波信道 常规的超短波通信通常为带宽为2 5 k H z 话音 点对点通信 不能实现高速数据 上百K b p s 的通信 也难以实现多跳自组织组 网 以W L A N 为参照系统进行对比 发现超短波信道具有如下特点 信道误码率 高 数据率较低 发射功率较大 传输距离长 而这些特点使得基于超短波信道 的数据链路层协议与w L A N 相比 存在较大的差异 超短波自组织网络采用跳频传输体制 这种传输方式具有抗干扰性强 传输 稳定的优点 但是采用跳频通信体制 使得超短波电台在自组织组网能力方面有 天然的缺陷和较大的困难 不仅对信道访问方法有直接的影响 而且还影响到了 网络自组织算法和协议 因此 在采用跳频电台构建自组织网络时 需要将链路 层和网络层结合起来考虑 针对跳频电台特有的通信特点 采用联合设计技术 设计并实现适用于超短波自组织网络的链路层协议 1 4 论文结构 本文第二章对无线介质的基本特点和超短波信道的特性进行研究 在此基础 上 第三章结合超短波信道的特点和采用的传输体制 探讨超短波信道访问控制 技术 第四章根据超短波自组网采用的F H T D M A 通信方式对超短波链路层进行 一般功能设计 第五章针对短帧恶化网络性能的问题对链路层进行联合设计 提 出一种捎带传输的链路层协议 在第六章里 介绍捎带传输链路层协议的实现思 路和方法 第八章针对课题背景对协议进行实验和仿真 并对结果进行分析 最 后一章对论文进行一个全面的总结和未来工作的展望 4 第二章超短波信道特性研究 2 1 引言 第二章超短波信道特性研究 天线可看作一条电子导线或导线系统 由天线辐射出去的信号以地波 目0 岫d w a v e 天波 s k yw a v e 或直线L O S 1 i n eo f s i g h t 方式传播 当要传输的信号 频率在3 0 M H z 以上时 通信必须采用直线方式 根据超短波所处的频段 低频 段3 0 8 0 M H z 高频段2 0 0 6 0 0 M H z 超短波属于直射波 对于直射波 转发 和接收天线必须是在相互之间一个有效的直线范围内 由于各种各样的传输损伤 包括衰减和衰减失真 a t t e n u a t i o na n da t t e n u a t i o n d i s t o r t i o n 自由空间损耗 f r e es p a c el o s s 噪声 n o i s e 大气吸收 a t m o s p h e r i c a b s o r p t i o n 多径 m u l t i p a t h 和折射 r e f r a c t i o n 等 会带来比特差错 二进制 1 变成0 反之亦然 无线信号受这些因素影响而产生的接收信号强度的特性称为 大尺度 1 a r g e s c a l e 衰落 5 而当通信双方处于移动状态 会产生移动环境下的 衰落 f a d i n g 现象 这种由发送器 接收器或它们周围物体的运动产生的接收 信号幅度的快速波动是一种小尺度衰落 s i n a l l s c a l ef a d i n g 6 小尺度衰落会产 生非常高的误比特率 在超短波信道的链路层设计中需要研究超短波最重要的三个传输特性是 信 号可达覆盖范围 信道支持的最大数据速率和信道波动率 本章首先分析无线信 道共有的问题 再针对超短波信道特性进行具体研究 分析超短波信道与公用频 段信道的不同之处 从而为设计适应超短波信道的移动自组织网链路层协议提供 思路 2 2 无线介质的特点 所有的无线传输都共享同一种介质一空气 各种现有的无线网络通过不同的 工作频率和接入频段的合法性加以区别 无线网络的工作频率从几十H z 的极低 频段到几十G H z 的红外线频段 无线通信链路与有线链路存有着本质的不同 具 电子科技大学硕士学位论文 有传输带宽较低 误码率较高等特点 无线信道间存在同频 邻频干扰 链路质 量也会受到周围环境的变化的影响 造成无线信道质量的不稳定 在M A N E T 中 还存在 隐藏终端 暴露终端 单向链路 等特有的链路质量问题 超短波 传输属于无线传输的一种 超短波自组网是一个利用超短波信道组成的M A N E T 因此超短波自组织网络也存在上述问题 在数据链路层协议设计的过程中需要考 虑进去 2 2 1 隐藏终端与暴露终端 在无线广播信道中 有三种重要的无线电通信范围 文献 2 定义了几个概念 传输范围 T r a n s m i s s i o nR a n g e 干扰范围 I n t e r f e r i n gR a n g e 侦听范围 S e n s i n g R a n g e 假设无线节点的物理特性完全相同 则三种范围定义如图2 1 所示 图2 1 传输范围 冲突范围和侦听范围 传输范围 T r a n s m i s s i o nR a n g e R t 在发送节点 T r a n s m i t t e r 的传输范 围内 如果不存在其他无线节点的干扰 接收节点 R e c e i v e r 就可以正 确接收T r a n s m i t t e r 发送的数据 该范围取值与T r a n s m i t t e r 发射功率的大 小和无线电波传播特性有关 反射和传输 衍射和散射等 干扰范围 I n t e r f e r i n gR a n g e 斑 T r a n s m i t t e r 向R e c e i v e r 发送数据的过程 中 在R e c e i v e r 的干扰范围内 任何其他的节点 I n t e r f e r e n c en o d e 向 R e c e i v e r 发送数据 都会在R e c e i v e r 处引起数据冲突 导致R e c e i v e r 丢 弃数据 6 第二章超短波信道特性研究 侦听范围 S e n s i n gR a n g e R s 在R e c e i v e r 的侦听范围内 R e c e i v e r 发 起通信之前 会对信道进行侦听 如果信道忙 R e c e i v e r 推迟发起通信 的过程 该范围取值与天线的灵敏度 S e n s i t i v i t y 有关 对于自由空间传播 干扰范围的半径 通常是通信距离d 的1 7 8 倍 即m 随通信距离d 动态变化 d 越大 干扰范围越大 传输范围由发射信号功率的大 小决定 通信开始前已确定 侦听范围由天线灵敏度决定 通常取固定值 取值 的大小由硬件决定 侦听范围一般比传输范围大一些 研究干扰范围与传输范围 的关系 根据文献 2 有以下结论 当d O 5 6 R 时 R 当R d O 5 6 R 时 R 持久性单向链路 主要是由于通信链路两端无线节点的发射功率不一致引起的 如图2 4 所示 节点的A 发射功率覆盖范围为r 节点的B 发射功率覆盖的范围为r 由于节点 A 发射功率强于节点B 所以有r r 而A B 间的距离为d 并且r d r 所以节点B 可以收到节点A 发送的数据 但节点A 由于处于节点B 的通信范围 之外 故节点A 无法收到节点B 发送的数据 从而形成A B 间的单向链路 引 起发射功率不一致的主要原因有射频电路的设计 无线节点供电等物理因素 所 以这类单向链路被称为持久性单向链路 本文假设超短波自组网中所有无线节点 均具有相同的无线参数 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 持久性单向链路 暂时性 T r a n s i e n t 单向链路 这类单向链路是 隐藏终端 引起的 因为节点具有移动性 而当隐藏终端 发生移动后 可能就不会再干扰该条链路 所以这类单向链路是暂时性的 单向链路问题会造成无线节点在通信过程中 发送路径和接收路径无法保持 一致 最终导致通信失败 无线电波传输范围的有限性造成的局部化问题引起节 点不断地发起寻路过程 即链路连通性的动态变化导致了路由的动态变化 现有 的M A N E T 动态路由协议的研究正集中解决如何降低判断链路连通性 寻找路由 引入的开销和时延 本文探索从层间合作的角度 设计新的链路层协议协助网络 层快速判断链路状态可能的方向 2 2 3 捕获效应 当发送节点的信号传播到接收节点 是否可以被接收节点正确接收主要决定 于信号到达发送节点时的功率水平 忽略多径衰落和阴影衰落等次要因素 根据 用于陆地无线移动通信的双路径模型 无线信号的强度随着距离的4 次幂而衰减 在无线信道里 有时候出现两个分组发生冲突却不会破坏节点接收分组的现 象 接收节点能够从多个接收信号中正确接收某一个离它最近节点发送的数据帧 如果两个分组在时间上冲突 并且微弱信号的分组看上去类似背景噪声 则节点 A 将成功地捕获 检测 距离较近的终端发送的分组 如图2 5 所示 假设节点A B 通信的过程中 节点C 作为隐藏终端也向节 点A 发起通信 此时节点C 的信号相对与节点B 的信号就是噪声 忽略热噪声 与干扰信号相比其值很小 当节点B C 同时向节点A 发送数据帧 但d B A D 时 就认为顶点f 不存在相邻关系 所以超短波自组网的动态性对应为网络拓扑结构的动态变化 在实际生活中的 W L A N 里 人以步行的速度低速移动 或携带便携机步行速度移动 网络拓扑结 构间隔3 5 分钟变化一次 变化非常缓慢 超短波自组织网络中也有类似的现象 在基于W L A N 的M A N E T 中 节点 的移动速率v 一般在3 5 h n h 那么节点间最大相对移动速率v 2 v 2 m s 而节点间的通信距离D 为3 0 0 I l l 因而相邻节点间拓扑变化至少需要 t t o p o D v 一 1 5 0 s 所以可认为节点移动引起的网络拓扑变化属于慢变化 与 之相比 在超短波网络中 节点的移动速率v 一般小于l O O k m h 所以节点间最大 相对移动速率v 2 v 6 0 m s 而节点间的通信距离D 为l O 1 5 k m 因而相邻 节点间拓扑变化至少需要f 3 0 0S 所以 可以认为超短波网络拓扑结构也是 缓慢变化 因此 超短波信道中的移动性 在移动速度小于l O O k m h 时 都可以 第二章超短波信道特性研究 看作慢速移动 这种情况下 网络拓扑的变化比较缓慢 在链路层的邻居管理 链路控制协议的设计中要充分地考虑这一特点 2 3 4 定时关系 在超短波信道中 信道传播时延t D C 3 0 s 其中D 1 0 k m C 3 1 0 8 m s 而信道的传输时延t L C t t L C 相对较长 例如 当 L 5 1 2 B y t e s C 5 1 2 k b p s 时 传输时延 8 m s 所以 传输定时关系主要取 决于数据发送时延 信道传播时延r 影响可以忽略不计 2 4 超短波信道对传输技术的选择 无线介质的特点决定了如何设计传输技术 而数据链路层的设计与物理层的 传输技术紧密相关 在无线环境下最大的障碍就是为了克服衰落所需要的相对高 的平均功率水平 根据应用范围不同 常见的数字无线传输技术可以划分为三类 喁 第一类脉冲传输技术 主要面向红外线 I R 冲击无线传输或超宽频带传输 应用里 第二类是基本的调制技术 第三类是使用扩展频谱和工作在I S M 频段的 无线局域网 2 4 1 无线网络传输技术 红外线 I n f r a r e dR a y s I R I R 采用小于l p m 波长的红外线作为传输媒体 优点在于不受无线电的干扰 数据速率极高 在视距范围内传输 监测和窃听困 难 保密性好 有较高的安全性且设备相对便宜而且简单 不过 由于红外线对 非透明障碍物的透射和绕射能力很差 使得传输距离和覆盖范围都受到很大限制 通常红外线局域网的覆盖范围只限制在一间房屋内 红外线支持1 2 M b s 数据速 率 适于近距离通信 此外 它容易受到日光 荧光灯等噪声干扰 并且只能进 行半双工通信 窄带微波 使用微波无线电频带传输数据 其带宽刚好能容纳信号 但网络 需要申请无线电频谱执照 电子科技大学硕士学位论文 扩频 S p r e a dS p e c t n m a s S 基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的带 宽中 以加大干扰和窃听的难度 其理论依据是 通过扩频方式以宽带传输信息 来换取信噪比的提高 扩频通信具有抗干扰能力和隐蔽性强 保密性好 多址通 信能力强的特点 扩频技术主要分为跳频技术 F H S S 和直接序列扩频 D S S S 两种方式 直接序列扩频 D S S S 是指用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱 而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩 把展开的扩频信号还原成原来的信号 而跳频技术 F H S S 是 跳频的载频受一个伪随机码的控制 其频率按随机规律 不断改变 接收端的频率也按随机规律变化 并保持与发射端的变化规律一致 跳频的高低直接反映跳频系统的性能 跳频越高 抗干扰性能越好 2 4 2 超短波信道传输技术的选择 适应网络多跳移动性特点 是超短波自组织网络传输的首要要求 一般而言 D S S S 由于采用全频带传送资料 速度较快 适用于固定环境 或对传输速率及 传输稳定性要求较高的应用 当前的无线网络产品所使用的技术主要是D S S S 无 线技术来实现 F H S S 则大都使用于需快速移动的端点 如便携电话的无线传输 技术部分即是采用F H S S 技术 提高数据的安全性 这是超短波自组织网络传输的关键问题 F H S S 是连续 间断跳跃使用多个频点 当跳到某个频点时 判断是否有干扰 若无 则传输信 号 若有则依据算法跳至下一频段继续判断 正是由于利用了跳频技术 使得跳 频的范围很宽 但是信息在每个频率上停留的时间很短 仅为1 1 0 0 0 秒左右 不仅使得数据的抗多径干扰能力得到提高 而且传输稳定 可扩展性强 在跳频不影响性能时最多可以有1 5 个接入点 此外 跳频电台 可无需附加电路及模拟调制方式在其频段内任一频道工作而与定频电台对通 不 同参数的跳频电台在做不大的或仅仅是软件的变动后就能互通 F H S S 与D S S S 相比 缺点是传输速率低 覆盖范围小 根据系统应用的背 景 提高系统的安全性和抗干扰能力 保证数据传输的可靠性是系统设计的首要 目标 并且F H S S 覆盖范围的大小已满足系统要求 考虑到超短波覆盖半径大 信号变化范围大 信道误码率高 本课题采用F H 模式 第三章超短波介质访问控制技术 M A C 研究 3 1 引言 第三章超短波介质访问控制技术 M A C 研究 介质访问控制 M e d i a A c c e s sC o n t r o l M A C 子层的作用是使一组无线节点 共享同一频率和空间 在网络层和物理层之间充当数据传递翻译器的作用 物理 层能确定的只是怎样通过无线接I 1 完成单个6 打的交互 M A C 层为物理层传上来 的原始信息建立语法 句法和逻辑结构 具体作用如产生寻址方式 访问协调 帧校验及功率控制等 M A C 层具有三个主要功能 无线介质访问 网络连接 提供数据验证和保密 设计超短波自组织网络的一个关键问题是M A C 机制的设计 它要保证多个 用户有效地共享超短波信道资源 M A C 协议的好坏 直接影响到极为有限的超 短波信道资源的使用效率 此外 在超短波信道自组网中 还要考虑隐藏终端 暴露终端 捕获效应以及节点移动所带来的影响 本章首先分析在超短波信道上采用竞争类和非竞争类M A C 方式的优缺点 然后简要介绍I E E E 8 0 2 1 1 协议中的M A C 技术C S M A C A 因为I E E E 8 0 2 1 1 无线 局域网是目前无线宽带接入技术的主流 也是超短波M A C 机制研究和设计的基 础 并着重分析在超短波信道上使用C S M A C A 存在的问题 最后详细分析超短 波信道传输体制对M A C 技术的影响 3 2 介质访问控制协议 M A C 网络可以分为两大类 使用点到点连接的网络 以及使用广播信道的网络 超短波是无线电波的一种 共享传输媒介一一空气 因此超短波信道机节点组成 了一个无线广播式网络 在广播式网络中 关键的问题是 当存在多方要竞争使 用信道的时候 如何确定谁可以使用信道 M A C 子层的接入方案主要负责协调 无线信道里多个终端顺利工作的任务 1 7 电子科技大学硕士学位论文 根据对信道资源的不同分配方式 M A C 协议主要分为固定 静态 分配 随机接入和动态 按需 分配三种 通常无线语音网络使用静态分配信道接入方 案 而无线数据网络最初是为了传输突发性的数据 采用随机接入方案 选择 M A C 方案的依据是在任意业务负载情况下达到有较高地信道利用率 较低的时 延和较少的开销 3 2 1 无线网络中的固定信道分配方案 频分多路复用 F D M 在多个竞争用户之间分配单个信道 如果总共有N 个用户 则整个带宽分成N 等份 每个用户分配一份 由于每个用户都有自己私 有的频段 所以用户之间不会有干扰 时分多路复用 T D M 将时间平均分割 每个用户被静态地分配到N 分之 一个时槽 如果一个用户并不使用分配给他的时槽 则该时槽就会空闲下来 F D M 和T D M 原理一致 只有当用户数量比较少而且固定不变 并且每个用 户都有繁重的流量负担的时候 静态信道分配方案才是一种简单有效的分配机制 3 2 2 无线网络中的动态信道分配方案 动态信道分配 如A L O H A 的最初思想是 当用户有数据要发送的时候就 让它们传输 即 不听就说 当发生冲突时 由于广播的反馈特性 发送方只要 通过监听信道 总是可以知道帧是否被损坏 由于每个站点都可以随意地发送数 据 它并不关心其他的站是否也在发送数据 所以会频繁地发生冲突 信道利用 率很低 纯的A L O H A 为1 8 时隙A L O H A 为3 6 最佳信道利用率是1 e 为了避免不必要的分组碰撞 发展出一些提高性能的措施 统称载波检测多 路访问协议 C a r r i e rS e n s eM u l 邱l e A c c e s s C S M A 每个节点通过检测是否存在 载波 即是否有传输 来检测其他的节点正在做什么 然后再根据情况调整自己 的行为 即 先听后说 另一个改进是 对于每一个节点而言 一旦它检测到冲 突 它就放弃它当前的传送任务 换言之 如果两个节点都检测到信道是空闲的 并且同时开始传送数据 则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生 一旦检测到冲 突之后 它们立刻停止传送数据 快速地终止被破坏的帧可以节省时间和带宽 称为带冲突检测的载波检测多路访问协议 C S M Aw i t hC o l l i s i o nD e t e c t i o n 第三章超短波介质访问控制技术 M A C 研究 C s M c D 它要求各节点在发送之前先监测它的邻节点是否正在进行发送 从 而使全连通网络有较好的吞吐量和时延性能 由于无线网络中隐藏终端的存在 C S M A 协议的性能将大大降低 为了解决 或减少隐藏终端所带来的分组碰撞 出现了许多利用R T S C T S r e q u e s tt o s e n d c l e a r t os e n d 对话形式进行碰撞避免 C A 的协议 比如M A C A W I E E E 8 0 2 1 1 标准等 这些协议将隐藏终端造成的碰撞区间由数据分组长度缩减到R T S 短控制 分组长度 从而降低了隐藏终端的影响 3 3 超短波信道竞争类M A C 机制 在超短波自组网中 使用超短波信道机的无线节点可以通过两种方式获得信 道的使用权 竞争的方式和非竞争的方式 在无线数据网络通信中 采用的竞争 类M A C 机制多数集中在C S M A 方式及其改进版本 非竞争类M A C 机制多数集 中在T D M A 方式 包括静态T D M A 和动态T D M A 方式 无线数据网络通信具有突发性的特点 因此传统思路一般采用竞争的方式 即围绕C S M A 的基本思想进行改进和设计 超短波自组网的无线信道虽然采用的 是超短波信道 但其业务模型仍然具有传统无线数据网络随机性和突发性的特点 可以借鉴W L A N 采用竞争类的M A C 机制C S M A 并分析I E E E 8 0 2 1 1 标准中的 M A C 技术移植到超短波信道可能引入的问题 对其进行改进 从而设计出适用 于超短波信道的竞争类M A C 协议 3 3 1C S M A C A 在I E E E 8 0 2 3 标准中 C S M C D 协议解决在E t h e r n e t 上的各个工作站如何 在线缆上进行传输的问题 利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要 进行数据传送时网络上的冲突 在无线局域网中 冲突的检测存在一定的问题 这个问题称为 N e a r F a r 现象 这是由于无线信道的信号动态范围很广 所以发送 节点不能有效地识别出是噪音信号还是自己的传输 要检测冲突 设备必须能够 一边接受数据信号一边传送数据信号 而这在无线系统中是无法办到的 鉴于这个差异 I E E E 8 0 2 1 1 标准对c S M 刖C D 进行调整 采用新的协议 C S M A C A C a r r i e rS e n s eM u l t i p l eA c c e s sw i t hC o l l i s i o nA v o i d a n c e 避免碰撞发生 的方法是以侦测工作频带中的电磁波能量束发现频道是否空闲 若发现空闲也不 1 9 电子科技大学硕士学位论文 立刻送出数据帧 而是自行产生一随机数当作延迟的时间 当在延迟时间侦测到 频道忙碌时 则此随机时间会被冻结 直到再度确认频道空间时再启动随机时间 一旦延迟时间一到才将数据帧送出 这样数据帧的碰撞几率便降低 C S M A C A 利用A C K 信号来确认冲突是否发生 即只有当客户端收到网络上返回的A C K 信 号后才确认送出的数据已经正确到达目的 C S M A C A 协议的工作流程是 一个工作站希望在无线网络中传送数据 如果 没有探测到网络中正在传送数据 则附加等待一段时间 再随机选择一个时间片 继续探测 如果无线网路中仍旧没有活动的话 就将数据发送出去 接受端的工 作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个A C K 数据报 如果这个A C K 数据报被接收端收到 则这个数据发送过程完成 如果发送端没有收到A C K 数 据报 则或者发送的数据没有被完整地收到 或者A C K 信号的发送失败 不管 是那种现象发生 数据报都在发送端等待一段时间后被重传 C S M A C A 通过这种方式来提供无线的共享访问 这种显式的A C K 机制在处 理无线问题时非常有效 然而这种方式都增加了额外的负担 所以I E E E8 0 2 1 1 网络和类似的E t h e m e t 网络比较 总是在性能上要下降 为解决隐藏终端问题 I E E E8 0 2 1 1 在M A C 层上引入了一个新的S e n d C l e a r t o S e n d R T S C T s 选项 当这个选项打开后 一个发送工作站传送一个R T S 信号 随后等待访问接入点回送R T S 信号 由于所有的网络中的工作站能够 听 到访 问接入点发出的信号而不会造成数据的冲突 这就间接解决了隐藏终端问题 3 3 2C S M A C A 用于超短波信道出现的问题 I E E E8 0 2 1 1 的M A C 协议是针对局域网 也就是单跳网络 提出的协议 超 短波自组网属于M A N E T M A C 机制若采用类似I E E E S 0 2 1 1 中定义的C S M A C A o r R T S C T S 配合数据确认 A c K 这种方式下的一次成功通信的典型帧序 列是 K T S C T S D A T A A C K 会出现问题 另外超短波自组织网络是一种多跳共 享信道 与一般的采用I S M 频段的无线多跳自组织网络相比 具有特殊性 3 3 2 1 物理载波侦听失效 通信节点在发送数据之前 首先检测物理信道的忙 闲状态 根据检测的结 果决定是否发送数据帧 信道忙闲的判断方式是 将接收信号的强度与载波侦听 门限值 C a r r i e rS e n s eT h r e s h o l d C S T 比较 只有当接收信号强度低于C S T 时 第三章超短波介质访问控制技术 M A C 研究 节点才认为信道此时处于空闲 进而开始捕获信道 所以C S T 的选取十分重要 它直接影响网络中允许同时传输的节点数目 以及节点能够正确接收的概率 超短波电台为了实现长距离传输 采用了较大的发射功率 可达5 0 W 并 且受传统通信的制约 电台都没有采取自动功率控制措施 电台通常仅分为高 中 低三档 使得在相互通信时随距离不同 发射功率不同 电台接收信号强度 的动态范围很大 仅依靠信号强度的载波侦听方法失去了可靠性 出现侦听不到 载波却可以收到数据的情况 因此物理载波侦听失效频繁出现 这使得C S T 的选 取更加困难 3 3 2 2 虚拟载波侦听效率低 I E E E 8 0 2 1 1 中的M A C 协议采用的虚拟载波侦听是R T S C T S 机制 用于解决 隐藏终端问题 R T S C T S 机制并不能解决所有的隐藏终端问题 2 I E E E8 0 2 1 1 为 了解决隐蔽终端问题 引入了V i r t u a lC S 机制和R T S C T S 控制帧 而这一机制的 前提假设是冲突范围总是小于传输范围 然而当节点间距d 不断增大时 这一前 提条件是不成立的 如图3 1 所示 当O 5 6 R d R 时 R 传输范围的几率越高 未被R T S C T S 覆盖的冲突域的面积 越大 成为隐藏终端的节点更多 随着隐藏终端节点数的增多 节点成功竞争信 道的几率降低 从而难以保证每个节点通信的可靠性 3 3 2 3 暴露终端加剧 由于超短波电台的发射功率大 1 W 5 0 W 是一般无线节点发射功率 5 0 m w 的几十倍 侦听范围与电台的发射功率有关 因此节点的侦听范围很大 相应的 成为暴露终端的移动节点数目增